Pengaruh Penggunaan Bahan Bakar dengan Angka Oktan yang Berbeda terhadap Unjuk Kerja dan Emisi Gas Buang Mesin

Transkripsi

1 Jurnal Integrasi Vol. 8, No. 2, October 2016, p-issn: Article History Received August, 2016 Accepted September, 2016 Pengaruh Penggunaan Bahan Bakar dengan Angka Oktan yang Berbeda terhadap Unjuk Kerja dan Emisi Gas Buang Mesin Muhammad Hasan Albana Batam Polytechnics Mechanical Engineering study Program Jln. Ahmad Yani, Batam Centre, Batam 29461, Indonesia Abstrak Bahan bakar bensin yang digunakan untuk spark ignition engine (SIE) dibedakan kualitasnya berdasarkan angka oktan yang dimiliki. Penelitian ini bertujuan untuk melihat pengaruh penggunaan bahan bakar dengan angka oktan yang berbeda yaitu bahan bakar bensin dengan RON (research octane number) 88 dan bahan bakar bensin dengan RON 95 terhadap torsi, daya, tekanan efektif rata-rata serta emisi gas buang hidrokarbon (HC) dan karbon monok- sida (CO). Penelitian dilakukan secara eksperimen dengan mesin uji empat langkah satu silinder. Hasil penelitian memperlihatkan bahwa torsi, daya dan tekanan efektif rata-rata yang dihasilkan dari penggunaan bahan bakar bensin dengan RON 95 lebih tinggi 1,7%, 1,4% dan 1,8% dibandingkan ketika menggunakan bahan bakar bensin dengan RON 88. Penggunaan bahan bakar bensin dengan RON 95 juga menghasilkan emisi gas buang CO yang lebih rendah 68,5% dibandingkan ketika menggunakan bahan bakar bensin dengan RON 88. Akan tetapi emisi HC yang dihasilkan lebih tinggi 35,9%. Kata kunci: Angka Oktan, Daya, Emisi Gas Buang, Tekanan efektif rata-rata, Torsi Abstract Gasoline as a fuels of spark ignition engine (SIE) differentiated by the octane number. This study aims to look at the effect of use of fuels with different octane number to torque, power, brake mean effective pressure, hydrocarbons (HC) emissions and carbonmonoxide (CO) emissions. Gasoline fuels uses in this study is octane 88 and octane 95. The study conducted experimentally with engine test single cylinder. The results showed that the torque, power and brake mean effective pressure from use octane 95 is higher than octane 88 by 1,7%, 1,4% and 1,8% respectively. Carbonmonoxide (CO) emission from use octane 95 is lower than octane 88 by 68,5% but on other side hydrocar- bons (HC) emission for octane 95 is higher than octane 88 by 35,9%. Keywords: Break Mean Effective Pressure, Exhaust Gas Emission, Octane Number, Power, Torque 1 Pendahuluan Peranan moda transportasi dalam kemajuan sebuah bangsa sangatlah penting apalagi untuk negara dengan kondisi geografis yang demikian luas seperti Indone- sia. Moda transportasi seperti mobil, truk, sepeda mo- tor dan kapal menggunakan mesin pembakaran dalam (internal combustion engine) sebagai penggeraknya baik dari jenis spark ignition engine (SIE) maupun dari jenis compression ignition engine (CIE). Salah satu perbedaan utama dari SIE dan CIE adalah dari jenis ba- han bakar yang digunakan dimana SIE menggunakan bahan bakar bensin (gasoline) sedangkan CIE menggu- nakan bahan bakar solar (diesel oil). Bensin (gasoline) sebagai bahan bakar utama untuk SIE merupakan campuran dari berbagai jenis hidrokar- bon serta diproses dari minyak bumi sehingga memili- ki karakteristik yang berbeda tergantung dari kompo- nen hidrokarbon yang ditambahkan ke dalam bensin [1]. Secara umum komponen hidrokarbon yang ditam- bahkan ke dalam bensin antara lain paraffin, oleffins, diolefins, acetylene, aromatics dan alcohol [2]. Ada beberapa hal yang dilakukan dalam membedakan karakteristik dari bahan bakar bensin. Karakteristik yang pertama adalah self ignition dari bahan bakar bensin tersebut. Jika temperatur dari campuran bahan bakar bensin dan udara naik cukup tinggi maka 101 Jurnal Integrasi Vol. 8, No. 2, October 2016, p-issn:

2 campuran dari bensin dan udara tersebut akan terbakar dengan sendirinya (self ignite) tanpa membutuhkan percikan bunga api dari busi. Temperatur ini dinama- kan self ignition temperature (SIT). Ini adalah prinsip dasar dari motor diesel atau CIE. Rasio kompresi yang cukup tinggi menyebabkan temperatur naik di atas SIT selama langkah kompresi. Self ignition kemudian ter- jadi ketika bahan bakar diinjeksikan ke dalam ruang pembakaran. Sebaliknya self ignition tidak diinginkan pada SIE dimana busi digunakan untuk membakar campuran bahan bakar dan udara pada waktu yang te- pat dalam siklus. Ketika self ignition terjadi pada SIE melebihi batas yang diinginkan maka akan timbul teka- nan atau sering dikenal dengan istilah ketukan (knock) atau ping. Ketukan (knock) yang tinggi bisa menyebabkan kerusakan bagi mesin. Karakteristik kedua yang biasa digunakan untuk mem- bedakan kualitas bahan bakar bensin adalah angka oktan (octane number). Pertamina sebagai pengelola utama minyak bumi di Indonesia mengklasifikasikan bahan bakar bensin yang didistribusikan secara umum di seluruh wilayah Republik Indonesia menjadi tiga jenis yaitu premium, pertamax dan pertamax plus. Pre- mium memiliki nilai research octane number (RON) 88, pertamax memiliki nilai RON 92 dan pertamax plus memiliki nilai RON 95. Disebabkan faktor ekonomi dalam distribusi, jenis bahan bakar bensin yang beredar di kota Batam Provinsi Kepulauan Riau hanya dua jenis yaitu premium dan pertamax plus. Karakteristik dari premium dan pertamax plus diperli- hatkan pada Tabel 1. TABEL 1. KARAKTERISTIK PREMIUM DAN PERTAMAX PLUS Properties Premium Pertamax Plus Research octane number (RON) Density (kg/m 3 at 15 o C) Distillation Alahmer, et al [4] juga memperli- hatkan bahwa menggunakan bahan bakar bensin deng- an angka oktan yang lebih tinggi dibandingkan kebu- tuhan akan menurunkan performa mesin. Apabila dikaitkan dengan persepsi di masyarakat pada saat sekarang ini bahwa penggunaan pertamax plus akan meng- hasilkan tenaga yang lebih tinggi dibandingkan ketika menggunakan premium. Namun, persepsi baru sebatas persepsi dalam artian belum terbuktikan secara ilmiah. Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh penggunaan bahan bakar bensin dengan angka oktan yang berbeda (premium dan pertamax plus) terhadap performa mesin dan emisi gas buang. 2 Metode Penelitian Metode penelitian yang digunakan adalah metode laboratory experimental test yaitu metode penelitian secara eksperimen dengan memakai sarana laboratorium. Motor bensin (Gasoline engine) yang digunakan pada penelitian memiliki spesifikasi sebagaimana terlihat pada Tabel 2 dan gambar mesin uji diperlihat- kan pada Gambar 1. Merk TABEL 2. SPESIFIKASI MESIN UJI Kohler Model CS 10 Engine type Bore Stroke Air-cooled, four stroke 78 mm 63 mm displacement 301 cm 3 Compression ratio 8,1/1 Maximum power Maximum torque Weight Oil capacity 7,45 kw (at 3600 rpm) 21,6 N.m (at 2400 rpm) 31,9 kg 1,1 L 10% boiling point 74 o C 70 o C 50% boiling point 125 o C 110 o C 90% boiling point 180 o C 180 o C End boiling point 215 o C 205 o C Sayin, et al [3] melakukan penelitian mengenai penga- ruh penggunaan bahan bakar bensin dengan angka oktan yang lebih tinggi dibandingkan kebutuhan mesin dan hasil penelitian mereka menunjukkan bahwa peng- gunaan bahan bakar dengan oktan yang lebih tinggi dari kebutuhan mesin menyebabkan performa mesin berkurang dan emisi gas buang meningkat. Penelitian yang dilakukan oleh Gambar 1: Mesin Uji Untuk mengukur kadar emisi gas buang yang dihasilkan oleh mesin, digunakan exhaust gas analyzer. Spe- 102 Jurnal Integrasi Vol. 8, No. 2, October 2016, p-issn:

3 sifikasi dari exhaust gas analyzer diperlihatkan pada Tabel 3. TABEL 3. SPESIFIKASI MESIN UJI Merk Model Nanhua NHA-406 Measurement Range HC 0 ppm ppm CO 0 % - 10 % CO 2 0 % - 20 % Gambar 4: Digital Thermo-Hygrometer O 2 0 % - 25 % RPM 300 rpm 8000 rpm Gambar 5: Digital Thermometer 3 Hasil dan Pembahasan Gambar 2: Exhaust Gas Analyzer Untuk mengukur torsi yang dihasilkan, digunakan wa- ter break dynamometer. Untuk mencegah terjadinya over heating pada mesin maka selama pengujian udara bertekanan diberikan pada mesin uji dengan menggu- nakan sebuah blower. Skema penelitian diperlihatkan pada Gambar 3. Selama melakukan pengujian, tempe- ratur dan kelembaban ruangan tempat dilakukan peng- ujian juga diukur dengan menggunakan digital thermo- hygrometer sebagaimana terlihat pada Gambar 4. Tem- peratur mesin diukur dengen menggunakan digital thermometer sebagaimana terlihat pada Gambar Torsi Pengaruh penggunaan bahan bakar premium dengan research octane number (RON) 88 dan pertamax plus dengan RON 95 pada penelitian ini terlihat pada Gam- bar 6. Gambar 6: Pengaruh Penggunaan Premium (RON 88) dan Pertamax Plus (RON 95) terhadap Torsi Mesin Gambar 3: Skema Penelitian (1) mesin uji (2) water break dynamometer (3) exhaust gas analyzer (4) digital thermometer (5) pengatur tekanan air pada dynamometer (6) torque meter (7) blower Sebagaimana terlihat pada Gambar 6, pada kecepatan 2500 rpm hingga sekitar 5000 rpm, torsi yang dihasilkan bertambah dengan bertambahnya kecepatan mesin. Ketika kecepatan mesin meningkat lebih lanjut maka torsi mencapai titik maksimum dan kemudian torsi yang dihasilkan berkurang seiring dengan 103 Jurnal Integrasi Vol. 8, No. 2, October 2016, p-issn:

4 bertambah- nya kecepatan mesin. Torsi yang dihasilkan berkurang ketika kecepatan mesin terus meningkat disebabkan karena mesin tidak mampu untuk mengakomodasi muatan penuh dari udara pada kecepatan yang lebih tinggi [5]. Terlihat pada Gambar 6 bahwa perbedaan nilai torsi yang dihasilkan dari penggunaan bahan bakar dengan RON 88 (premium) dibandingkan dengan nilai torsi yang dihasilkan dari penggunaan bahan bakar yang memiliki RON 95 (pertamax plus) tidak terlalu signifi- kan. Pada rentang 2500 rpm hingga 4000 rpm torsi yang dihasilkan dari penggunaan pertamax plus lebih tinggi dibandingkan premium. Pada rentang 4000 sam- pai 6500 rpm nilai torsi yang dihasilkan dari pengguna- an premium lebih tinggi dibandingkan pertamax plus. Pada putaran mesin di atas 6500 rpm nilai torsi yang dihasilkan dari penggunaan pertamax plus kembali lebih tinggi dibandingkan penggunaan premium. Torsi yang dihasilkan dari penggunaan pertamax plus sekitar 1,7% lebih tinggi dibandingkan dengan torsi yang di- hasilkan premium. 3.2 Daya Mesin Pada Gambar 7 terlihat bahwa daya yang dihasilkan bertambah seiring dengan bertambahnya kecepatan mesin. Daya mencapai maksimum (pada kecepatan 7000 rpm) dan kemudian berkurang pada kecepatan yang lebih tinggi. Hal ini disebabkan karena kerugian gesek (friction loss) meningkat dengan bertambahnya kecepatan dan menjadi faktor dominan pada kecepatan yang sangat tinggi [5]. Secara umum daya yang dihasilkan dari penggu- naan pertamax plus sekitar 1,4% lebih tinggi dibandingkan daya yang dihasilkan dari penggunaan premium. 3.3 Tekanan efektif rata-rata Tekanan efektif rata-rata atau brake mean effective pressure (BMEP) dari penggunaan bahan bakar dengan angka oktan yang berbeda (RON 88 dan RON 95) di- perlihatkan pada Gambar 8. Grafik BMEP dalam fung- si kecepatan mesin mempunyai kecenderungan yang sama dengan grafik torsi yaitu pada kecepatan 2500 rpm sampai 5000 rpm nilai BMEP naik seiring bertam- bahnya kecepatan mesin kemudian mencapai titik pun- cak pada kecepatan mesin 4000 rpm hingga 5000 rpm. Apabila kecepatan mesin meningkat lebih lanjut maka nilai BMEP yang dihasilkan berkurang seiring dengan bertambahnya kecepatan mesin disebabkan karena mesin tidak mampu untuk mengakomodasi muatan penuh dari udara pada kecepatan yang lebih tinggi. BMEP sebenarnya merupakan parameter yang ideal untuk membanding- kan satu mesin dengan mesin yang lain karena apabila torsi yang dijadikan acuan untuk perbandingan maka mesin dengan ukuran yang lebih besar akan selalu terlihat lebih baik. Sementara apabila power atau daya yang dijadikan acuan perbandingan maka variabel ke- cepatan akan sangat berpengaruh [5]. Gambar 7: Pengaruh Penggunaan Premium (RON 88) dan Pertamax Plus (RON 95) terhadap Daya Mesin Terlihat pada Gambar 7 bahwa perbedaan daya yang dihasilkan dari penggunaan premium (RON 88) diban- dingkan dengan daya yang dihasilkan dari penggunaan pertamax plus (RON 95) juga tidak terlalu signifikan. Daya yang dihasilkan dari dari penggunaan pertamax plus sedikit lebih tinggi dibandingkan daya yang diha- silkan penggunaan bahan bakar premium pada putaran rendah dan tinggi. Sedangkan pada putaran menengah (4000 rpm hingga 6000 rpm) daya yang dihasilkan dari penggunaan premium sedikit lebih tinggi dibanding- kan daya yang dihasilkan dari penggunaan pertamax plus. Gambar 8: Pengaruh Penggunaan Premium (RON 88) dan Pertamax Plus (RON 95) terhadap Tekanan Efektif rat-rata (BMEP). Gambar 8 memperlihatkan bahwa BMEP yang dihasil- kan dari penggunaan bahan bakar pertamax plus (RON 95) lebih tinggi dibangingkan dengan BMEP yang dihasilkan dari penggunaan bahan bakar premium (RON 88). Tanpa adanya modifikasi pada mesin, teka- nan efektif rata-rata (BMEP) yang dihasilkan dari penggunaan bahan bakar RON 95 lebih tinggi 1,84% dibandingkan penggunaan bahan bakar dengan RON Emisi Gas Buang Hidrokarbon (HC) 104 Jurnal Integrasi Vol. 8, No. 2, October 2016, p-issn:

5 Gambar 9: Pengaruh Penggunaan Premium (RON 88) dan Pertamax Plus (RON 95) terhadap Emisi Gas Buang Hidrokarbon (HC) Emisi gas buang hidrokarbon (HC) yang dihasilkan da- ri penggunaan bahan bakar dengan RON 88 dan bahan bakar dengan RON 95 terlihat pada Gambar 9. Tanpa adanya modifikasi pada mesin, emisi gas buang HC yang dihasilkan dari penggunaan bahan bakar dengan Ron 95 (pertamax plus) pada putaran rendah (di bawah 4000 rpm) lebih rendah dibandingkan emisi gas buang HC yang dihasilkan oleh bahan bakar dengan RON 88 (premium). Sedangkan untuk putaran yang lebih tinggi (sekitar 4000 rpm hingga 8500 rpm) emisi gas buang HC yang dihasilkan oleh premium ternyata lebih ren- dah dibandingkan emisi HC yang dihasilkan dari peng- gunaan pertamax plus. Tingginya emisi gas buang HC pada putaran rendah disebabkan karena pembakaran ti- dak berada pada kondisi stoikiometri (campuran kaya), sehingga tidak cukup oksigen dalam proses pembaka- ran sempurna. Ketika kecepatan mesin bertambah ma- ka campuran bahan bakar dan udara cenderung menja- di miskin, kebutuhan oksigen terpenuhi, sehingga emi- si HC berkurang. Emisi gas buang HC ketika menggunakan bahan bakar pertamax plus ternyata lebih tinggi 35,9% dibandingkan ketika menggunakan bahan bakar premium. 3.5 Emisi Gas Buang Karbon Monoksida (CO) Emisi gas buang karbon monoksida (CO) yang dihasil- kan dari penggunaan bahan bakar dengan RON 95 (pertamax plus) memperlihatkan nilai yang lebih ren- dah dibandingkan ketika menggunakan bahan bakar dengan RON 88 (premium) sebagaimana terlihat pada Gambar 10. Semakin tinggi kecepatan mesin maka se- makin rendah emisi gas buang CO yang dihasilkan. Bertambahnya kecepatan mungkin menambah efisien- si volumetrik dan mendorong terjadinya turbulensi di dalam ruang bakar sehingga pembakaran menjadi lebih baik. Pada penelitian ini terlihat bahwa emisi gas buang CO yang dihasilkan ketika menggunakan bahan bakar dengan RON 95 (pertamax plus) jauh lebih rendah dibandingkan ketika menggunakan bahan bakar dengan RON 88 (premium) yaitu secara kumulatif 68,5% lebih rendah. Gambar 10: Pengaruh Penggunaan Premium (RON 88) dan Pertamax Plus (RON 95) terhadap Emisi Gas Buang Karbon Monoksida (CO) 4 Kesimpulan Dari penelitian yang telah dilakukan dapat diambil kesimpulan antara lain torsi, daya (power) dan tekanan efektif rata-rata (BMEP) yang dihasilkan dari penggu- naan bahan bahan bakar dengan angka oktan (RON) 95 lebih tinggi dibandingkan ketika menggunakan bahan bakar dengan RON 88. Torsi, daya dan tekanan efektif rata-rata (BMEP) dari penggunaan RON 95 sekitar 1,7%, 1,4% dan 1,8% lebih tinggi dibandingkan ketika menggunakan bahan bakar dengan RON 88. Untuk emisi gas buang karbon monoksida (CO), penggunaan bahan bakar dengan angka oktan 95 pada penelitian ini juga menghasilkan nilai yang jauh lebih rendah (68,5%) dibandingkan ketika menggunakan bahan bakar deng- an angka oktan 88. Sedangkan untuk emisi gas buang hidrokarbon (HC) ternyata penggunaan bahan bakar dengan angka oktan 95 menghasilkan emisi gas buang HC yang lebih tinggi sekitar 35,9%. Daftar Pustaka [1] Arismunandar, Wiranto, Motor Bakar Torak, Penerbit ITB, Bandung, [2] Kawano, D. Sungkono, Motor Bakar Torak Bensin, ITS Press, Surabaya, [3] Sayen, Chenk & Kiliscalan, Ibrahim, An Experimental Study of the Effect of Octane Number Higher than Engine Requirement on the Engine Performance and Emissions, Applied Thermal Engineering, Vol. 25, hal , [4] Alahmer, Ali & Aladayleh, Wail, Effect two grades of octane numbers on the performance, exhaust and acoustic emissions of spark ignition engine, Fuel, Vol. 180, hal , [5] Pulkrabek, Willard W, Engineering Fundamentals of the Internal Combustion Engine, Prentice Hall, New Jersey, Jurnal Integrasi Vol. 8, No. 2, October 2016, p-issn: